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第5章 計算機組織
目錄
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
5-1
5-2
5-3
5-4
5-5
5-6
5-7
5-8
5-9
5-10
系統單元
中央處理器 (CPU)
CPU的設計架構與技術
記憶體
電腦與週邊通訊
輸入/輸出的定址方式
輸入/輸出介面
輸入裝置
輸出裝置
儲存裝置
5-1
系統單元
 電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器
(CPU) 與主記憶體兩個部分。
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5-2
中央處理器 (CPU)
 CPU 負責算術運算、邏輯運算與程式執行，
又稱為「微處理器」(microprocessor) 或「處
理器」(processor)。
 CPU是由控制單元、算術邏輯單元及部分的記
憶體單元 (暫存器) 所組成。
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5-2-1 控制單元 (CU)
 控制單元 (control unit) 是負責控制資料流向與指
令流向的電路，它可以讀取並解譯指令，然後產
生訊號控制算術邏輯單元、暫存器等CPU內部的
元件來完成工作。
 控制單元的製作方式有下列兩種：
 硬體電路控制

邏輯電路、速度較快
 微程式控制

(hardwired control)
(microprogrammed control)
微程式組成，易修改
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5-2-2 算術邏輯單元 (ALU)
 算術邏輯單元 (arithmetic/logic unit) 是負
責算術運算與邏輯運算的電路。
 電腦的機器指令有下列三種類型：
 資料傳送類型



算術邏輯類型


LOAD:由記憶體單元載入暫存器
STORE:由暫存器儲存至記憶體單元
AND、OR、XOR等等的邏輯運算
控制類型

執行特定之指令，如JUMP
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5-2-3 暫存器
 暫存器 (register) 是位於CPU內部的記憶體，
用來暫時存放目前正在進行運算的資料或目前
正好運算完畢的資料。
 暫存器分成兩大類


可見暫存器:程式設計人員可以直接存取。
控制與狀態暫存器:無法直接存取。
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 可見暫存器又分成下列幾種：

通用暫存器 (general purpose register)


資料暫存器 (data register)


存放資料
位址暫存器 (address register)


存放資料、指令或位址，數目越多表示CPU執行效率越加，
但成本也較高。
紀錄存放資料之資訊
條件碼暫存器 (condition code register)

存放指令執行的狀態，但由CPU寫入，程式人員只能讀取
 控制與狀態暫存器又分成下列七種：

程式計數器 (program counter)


指令暫存器 (instruction register)


存放下一個執行指令在主記憶體的位址
存放最近從主記憶體讀取出來的指令
記憶體位址暫存器 (memory address register)

用來存放要存取的主記憶體位址
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
記憶體緩衝暫存器 (memory buffer register)


ALU緩衝暫存器 (ALU buffer register)


存放ALU的運算結果
中斷向量暫存器 (interrupt vector register)


存放讀取出來或是將寫入之資料的暫存功能
記錄系統的向量式中斷
程式狀態字組 (program status word)

存放條件碼或狀態資訊
5-2-4 電腦的效能
電腦之效能可由以下方式來評估
 反應時間 (response time)

是一個工作從開始做到結束所花費的時間
 工作量 (throughput)

是在固定時間內所能完成的工作
 CPU時間 (CPU time)

是CPU執行一個程式所花費的時間，不包括等待輸入/輸出或
執行其它程式的時間
 CPU時脈週期 (CPU clock cycle)


是CPU執行一個程式所花費的時脈週期
CPU時間 = CPU時脈週期 * 時脈週期時間
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 時脈 (clock)

是電腦內部一個類似時鐘的裝置，它每計數一次，稱為一個時脈
週期 (clock cycle)，電腦就可以完成少量工作。
 時脈速度 (clock rate)

指的是時脈計數的速度，單位為MHz (百萬赫茲) 或GHz (十億赫
茲) ，而時脈每計數一次所經過的時間稱為時脈週期時間 (clock
cycle time)。
 除了MHz、GHz之外，電腦的速度也可以使用



MIPS:每秒可完成幾百萬個指令-大型工作站
MFLOPS:每秒可完成幾百萬個浮點運算-超級電腦
TPS:每秒可完成幾個交易-商業交易機器
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5-2-5 CPU相關規格
 外頻：CPU外部的工作頻率
 倍頻：CPU核心所採用的頻率
 內頻：CPU工作時所採用的頻率
SECC
 封裝
 快取記憶體(L1、L2、L3)
 匯流排寬度
 字組大小(16、32、64bit)
PGA
 快取記憶體(增加工作效率)



L1:64-512KB
L2:512-4MB
L3:外部獨立晶片
 匯流排(以MHz為單位)


系統匯流排:CPU-RAM
擴充匯流排CPU-週邊
 字組大小

固定時間內能解譯並執行的位元數
5-2-6 機器語言
 機器語言 (machine language) 是程式與電腦
溝通的介面，定義了程式可以使用的指令與編
碼方式。
 機器指令 (machine instruction) 的編碼方式通
常包含運算碼 (op-code) 和運算元 (operand)
兩個部分。
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運算碼
運算元 說明
1
RXY
LOAD指令，將主記憶體位址XY的資料載入暫存器R
2
RXY
STORE指令，將暫存器R的資料儲存到主記憶體位址XY
3
RST
ADD指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料相加，
再將結果儲存到暫存器R
4
RST
OR指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行
OR運算，再將結果儲存到暫存器R
5
RST
AND指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行
AND運算，再將結果儲存到暫存器R
6
RST
XOR指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行
XOR運算，再將結果儲存到暫存器R
7
RXY
JUMP指令，若暫存器R的資料與暫存器R0的資料相
同，就跳到主記憶體位址XY去執行，否則依序執行
8
000
HALT指令，使程式暫時停止執行，例如機器指令
8000是將程式暫停
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下面是一個例子：
11BA:記憶體位址BA資料載入暫存器R1
12BB:記憶體位址BB資料載入暫存器R1
3312:將暫存器R1與R2資料相加，再將結果儲存到暫存器R3
23B0:將暫存器R3資料儲存到記憶體位址B0
10B0:將記憶體位址B0資料載入暫存器R0
73FF:若暫存器R3資料與R0相同，就跳到記憶體位址FF去執行，否則依
序執行。
5-2-7 機器循環週期
CPU執行一個指令的過程叫做機器循環週期 (machine cycle)，
包含下列四個步驟：
指令擷取
指令解碼
指令執行
結果存回
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5-3
CPU的設計架構與技術
5-3-1
CISC(複雜指令集) V.S. RISC (精簡指令集)
優點
缺點
RISC




容易結合管線或超純量技術
指令集較精簡，容易學習
控制電路較簡單
通用暫存器數目較多



指令種類較少
定址模式較少
需要特殊的編譯器進行最佳
化
CISC



指令種類較多
定址模式較多
不需要特殊的編譯器




無明顯的最佳化功能
指令集較複雜，不易學習
控制電路較複雜
通用暫存器數目較少
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5-3-2 管線
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5-3-3 超純量處理器
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5-3-4 平行處理
SISD: 單一指令流單一資料流
MIMD:多重指令流多重資料流
SIMD: 單一指令流多重資料流(陣列處理器)
指令流:記憶體中的連續指令
資料流:單一處理器上執行
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5-4
記憶體
5-4-1
記憶體的種類
 記憶體有RAM 與ROM兩種。
 RAM又分成下列兩種：


DRAM (dynamic RAM:主記憶體)
SRAM (static RAM:快取記憶體)
 ROM又分成下列三種：



PROM (programmable ROM:無法更新)
EPROM (erasable PROM:可更新)
EEPROM (electronically EPROM:可更新)
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5-4-2 記憶體的階層
 暫存器 (register)
 快取記憶體 (cache
memory)
 主記憶體 (main memory)
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5-4-3 主記憶體的定址方式
 主記憶體是由許多
記憶體單元 (cell)
所組成，為了加以
辨識，每個記憶體
單元都有唯一的位
址，同時這些位址
是從0開始，依照
順序編號。
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5-5
電腦與週邊通訊
 電腦內部的電子訊號是由匯流排進行傳送，由下列三
組電路所組成：



資料線 (data line):傳送資料
位址線 (address line):存放主記憶體或週邊位址
控制線 (control line):控制訊號如讀取、寫入
 匯流排又分為下列兩種：


系統匯流排:CPU與主記憶體
擴充匯流排:CPU與週邊
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主機板通常會內建下列
連接埠：
硬碟、軟碟與光碟控
制介面
PS/2埠
序列埠
平行埠
IEEE 1394
USB
內建音效經片插槽
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常見的介面卡如下：
 顯示卡
 音效卡
 數據卡
 網路卡
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5-6
輸入/輸出的定址方式
 定址方式主要可分為以下兩類


隔離I/O (isolated I/O)
記憶體映射I/O (memory-mapping I/O)
5-6
輸入/輸出的定址方式
5-6-1 隔離I/O
 在隔離I/O (isolated I/O) 中，每個週邊均有唯
一的位址。
 需設計兩組指令進行讀寫的動作
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5-6-2 記憶體映射I/O
在記憶體映射I/O 中，每個週邊均有唯一的位址，這些
位址是從主記憶體的部分定址空間配置出來。
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5-7
輸入/輸出介面
輸入/輸出介面主要的工作有：
(1) 與週邊溝通；
(2) 與CPU和主記憶體溝通；
(3) 做為資料緩衝區；
(4) 錯誤偵測與回報。
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5-7
輸入/輸出介面
 輸入/輸出介面的傳輸方式可分為以下幾種



程式控制I/O
中斷式I/O
直接記憶體存取I/O
5-7-1 程式控制I/O
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5-7-2 中斷式I/O
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5-7-3 直接記憶體存取 (DMA)
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5-8
輸入裝置
輸入 (input) 指的是使用者放進主記憶體的資料，
其類型如下：
軟體 (software)
資料 (data)
命令 (command)
回應 (response)
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5-9
輸出裝置
輸出 (output) 指的是電腦運算的結果，其類型
如下：
文字 (text)
圖形 (image)
音訊 (audio)
視訊 (video)
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5-10
儲存裝置
 儲存裝置 (storage device) 的用途是存放資料、
指令或程式，又稱為輔助儲存裝置、大量儲存
裝置 或次級儲存裝置
 線上儲存裝置 V.S.離線儲存裝置
 揮發性V.S.非揮發性
 循序存取V.S.隨機存取
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5-10-1
硬式磁碟機
硬碟的內部構造主要有碟片、主軸馬達 、存取臂
及讀寫頭 。
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 磁軌 (track)
 磁區 (sector)
 磁簇 (cluster)
 磁柱 (cylinder)
磁柱
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硬碟的規格
 尺寸
 容量
 轉速 (硬碟內部主軸馬達轉動的速度，以RPM為單位)
 硬碟控制介面 (ATA (IDE)、SATA (Serial-ATA)、SCSI、
SAS (Serial Attached SCSI) )
 磁碟快取
 平均搜尋時間 (從硬碟找到資料位置所需要的平均時間，
以ms為單位)
 資料傳輸速率 (將資料傳送給電腦的速率，以Mbps為單位)
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磁碟陣列
 鏡射 (mirroring): RAID 1
 等量分配 (striping): RAID 0
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5-10-2 磁帶
 磁帶是在一條寬度為1/4吋 (6.3mm) 或1/2吋
(12.7mm) 的塑膠帶表面塗上磁性物質來記錄
資料。
 除了容量之外，磁帶所能儲存的資料也可以使
用密度為單位，例如CPI表示每吋磁帶可以儲
存幾字元，BPI表示每吋磁帶可以儲存幾位元
組。
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5-10-3 光學儲存裝置
 CD-ROM
 VCD
 MO
 CD-R/CD-RW
 DVD (DVD-ROM, MOVIE-
DVD, AUDIO-DVD, DVDR/RW, DVD+R/RW, DVDRAM)
 藍光燒錄 (Blu-ray Disc, HD
DVD)
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5-10-4
企業儲存系統
企業儲存系統結合了數種儲存技術，包括：
伺服器 (server)
磁碟陣列 (RAID)
儲存區域網路 (SAN)
網路磁碟機 (NAS)
磁帶櫃 (tape library)
光碟櫃 (optical disk library)
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5-10-5
固定狀態儲存裝置
 PC Card (Type I、Type II、
Type III三種類型)
 智慧卡 (一種是僅有記憶功
能的記憶卡，另一種是有
CPU運算與記憶功能的IC卡)
 快閃記憶體 (SmartMedia、
CompactFlash、Memory
Stick、xD…)
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